呼吸负荷增加对不同任务复杂度轨迹行走任务中前额叶皮层激活的影响

《Sensors》：Impact of Increased Respiratory Load on Prefrontal Cortical Activation Under Varying Task Complexities of Trail Walking Task

　　

摘要专业翻译 本研究探讨了在单任务和双任务（如轨迹行走任务（Trail Walking Task, TWT））条件下，呼吸频率（breathing rate, BR）对不同年龄人群前额叶皮层（prefrontal cortical, PFC）激活的影响。研究人员假设较高的呼吸频率与PFC激活增强相关，尤其是在双任务行走期间。这项横断面研究纳入了45名成年人（平均年龄50.31 ± 20.19岁；其中27名女性），研究对象在自选速度下于仪器化跑步机上进行单任务和TWT条件下的行走。使用智能衬衫测量静息呼吸频率，功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）用于评估TWTA（仅数字）和TWTB（数字与字母组合）期间的PFC氧合血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（Hb）浓度。研究人员采用线性混合效应模型评估呼吸频率、任务及其交互作用对PFC激活的影响，并控制年龄和心肺适能（VO2 max）等协变量。结果显示，在不同呼吸频率水平下，单任务与双任务条件之间的Hb和HbO2存在显著差异。呼吸频率较高的个体在TWT期间表现出更大的PFC激活，而呼吸频率较低的个体则表现为激活减少和更有效的注意力资源分配。呼吸频率与行走速度无关。这些发现表明，较高的呼吸频率反映了双任务行走期间神经努力的增加，并凸显了呼吸作为影响认知-运动表现和跌倒风险的潜在可调控因素。

论文解读

一、研究背景与意义

行走并非纯粹的自动化运动过程，而是需要认知资源持续参与调控的复杂行为。随着年龄增长，个体的执行功能逐渐衰退，在同时执行认知任务和运动任务时，容易出现认知-运动干扰（cognitive-motor interference, CMI），表现为步态稳定性下降和认知表现受损。这种干扰在需要持续视觉扫描、序列规划和心理灵活性切换的任务中尤为突出，例如轨迹行走任务（Trail Walking Task, TWT）。识别CMI的早期生理标志物，对于在中年人群中开展预防性干预具有重要意义。

呼吸是维持生命的基本生理过程，其功能远不止于气体交换。呼吸节律与大脑活动紧密耦合，可影响神经振荡、认知表现和运动执行。膈式呼吸已被证明能够减轻压力、改善心血管效率和呼吸力学。在双任务行走过程中，认知需求与步态控制相互作用，对全身生理储备构成挑战。然而，呼吸负荷作为认知-运动交互中的一个重要维度，此前尚未得到充分研究。

功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）研究已一致表明，在认知或身体负荷增加的情况下行走，与前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）激活升高相关。这种激活增强反映了为维持步态稳定性而进行的代偿性神经募集，但也意味着对执行资源的依赖增加。老年人及神经系统疾病患者（如卒中幸存者）中尤为明显的过度募集，可能代表低效的神经处理过程，最终限制功能性活动能力。

本研究旨在通过将神经影像学、运动表现和认知测量整合到一个新颖的双任务框架中，评估呼吸频率与双任务行走期间PFC激活之间的关系，从而为认知需求条件下肺血管和脑血管功能的变化提供见解，并探索呼吸努力作为量化认知-运动干扰神经成本的潜在外周标志物。

二、研究设计与方法

本研究为横断面设计，共招募45名成年人（平均年龄50.31 ± 20.19岁，其中27名女性），年龄范围18至75岁，均无临床诊断的神经、骨科或心血管疾病。排除标准包括认知功能障碍（电话认知状态访谈得分低于22分）、身体残疾、无法独立行走以及近六个月内住院者。

研究人员采用的主要技术方法包括：功能性近红外光谱（fNIRS）用于实时监测前额叶皮层氧合血红蛋白（HbO₂）和脱氧血红蛋白（Hb）浓度变化，设备为fNIRS Imager 1200系统，包含4个LED光源和10个光电探测器，形成16个光极通道，采样频率2 Hz；Hexoskin智能衬衫（Carre Technologies Inc., Montreal, QC, Canada）用于记录呼吸频率和心率；C-Mill仪器化跑步机（Motekforce Link, Culemborg, The Netherlands）用于行走任务实施，该设备可将增强现实视觉线索和干扰刺激投射到跑台表面。研究还纳入了蒙特利尔认知评估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）、迷你平衡评价系统测试（Mini-Balance Evaluation Systems Test, Mini-BEST）和Naughton次极量运动测试等基线评估。

实验流程包括：确定每位参与者的舒适行走速度，进行五分钟适应训练，随后完成两个实验区块。每个区块包含单任务行走（固定速度行走两分钟）和双任务条件（TWT_A和TWT_B）。TWT_A要求参与者按升序踩踏1至30的数字目标并避开干扰刺激；TWT_B则引入数字和字母交替的更高复杂度任务。区块顺序和任务顺序均采用平衡设计以减少顺序效应。统计分析采用线性混合效应模型，以呼吸频率为连续自变量，任务条件为分类自变量，PFC激活为因变量，控制年龄和心肺适能（VO₂ max）协变量，受试者作为随机效应建模。

三、研究结果

3.1 参与者特征

共45名无诊断医学状况的成年人参与研究，参与者的人口统计学和基线特征已汇总于表中。

3.2 前额叶皮层激活

线性混合效应模型分析显示，在控制年龄和适能水平后，任务对平均Hb和平均HbO₂存在显著主效应（p < 0.01），呼吸频率与任务之间存在显著交互效应（p < 0.05）。总体而言，较高的呼吸频率与更大的PFC激活相关，表现为在更具挑战性的TWT条件下平均HbO₂和Hb水平更高。事后检验进一步明确了交互模式：与舒适行走（CW）相比，TWT_A和TWT_B均引起更高的PFC激活，且从TWT_A到TWT_B还存在额外增加（p < 0.0001）。

四、讨论与结论

4.1 主要发现与理论解释

研究结果支持研究假设：双任务条件相比单任务行走显著提高了HbO₂水平并降低了Hb水平。呼吸频率较高的参与者表现出增强的神经激活模式，提示运动-认知促进效应；而呼吸频率较低的参与者则表现出干扰模式，即使在调整年龄和适能水平后仍然如此。这些发现支持代偿性神经回路利用假说（Compensation-Related Utilization of Neural Circuits Hypothesis, CRUNCH），该假说认为衰老与神经资源募集增加相关，以满足年轻人能以较少资源完成的任务需求。呼吸频率较低的个体似乎无法募集足够的神经资源来维持任务表现，提示代偿能力有限。

研究还发现，年龄增长与所有行走条件下更高的PFC激活相关。较高的呼吸频率与PFC激活之间的关联在控制年龄和适能水平后仍然显著，提示呼吸频率可能独立于这些因素反映神经努力程度。呼吸频率较低个体表现出的减少且更均匀的PFC激活模式，可能反映相对较低的脑血管效率，也可能在神经代偿框架内被解释为替代神经网络被募集以弥补主要网络缺陷。

4.2 局限性

本研究存在若干局限性：样本量相对较小，可能受疫情期间数据收集限制影响，限制了一般化能力；参与者均无认知障碍，结果不能直接推广至认知缺陷人群；fNIRS测量仅限于PFC区域，限制了对其他可能参与双任务表现的皮层和皮层下区域的了解；横断面设计无法建立因果关系。

4.3 结论

本研究评估了双任务行走期间呼吸频率与前额叶皮层激活之间的关系。通过将神经影像学、运动表现和认知测量整合到新颖的双任务框架中，这些发现为肺血管和脑血管功能的早期变化提供了见解，这些变化可能通过针对性干预得以改善。这项工作强调了将神经影像学与心肺评估相结合的价值，以识别可能影响生活质量和长期健康结局的早期功能障碍。